(57)【要約】  調芯組立し易いと共に、特に電流センサにおけるセンサ用光ファイバで発生する複屈折を補償して電流センサの耐振動性を向上させ、且つ、電流センサの大電流検出を可能とする光ファイバ複屈折補償ミラーを提供する。またその光ファイバ複屈折補償ミラーが光学的に接続されることで耐振動性が向上した電流センサを提供する。  光ファイバ複屈折補償ミラーを、光ファイバ、複屈折素子、レンズ、マグネット、ファラデー回転子、及びミラーで構成する。光ファイバの光入出射端面から、複屈折素子、ファラデー回転子、及びミラーの順に配置すると共に、光ファイバはシングルモード型とする。光ファイバから光を入射し、複屈折素子で２つの直線偏光に分離し、ファラデー回転子で２つの直線偏光の偏光面を４５度回転させ、ミラーで２つの直線偏光を一点で点対称に反射させ、ファラデー回転子で更に偏光面を４５度回転させ、複屈折素子で１つの光に再合成し、光ファイバに入射させる。
2011148634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ複屈折補償ミラーは、
光ファイバと、複屈折素子と、レンズと、マグネットと、前記マグネットからの磁界が印加されることで磁気飽和されて４５度のファラデー回転角を有するファラデー回転子と、ミラーを備え、
前記複屈折素子、前記ファラデー回転子、及び前記ミラーの各部品は、前記光ファイバの光入出射端面から、前記複屈折素子、前記ファラデー回転子、及び前記ミラーの順に配置され、
前記光ファイバはシングルモード型であり、
更に、
前記光ファイバ内を伝搬してきた光は、前記複屈折素子で互いに直交する常光線と異常光線の２つの直線偏光に分離されて前記レンズによって集光され、
更に、前記２つの直線偏光は前記ファラデー回転子を透過することにより、それぞれの偏光面が４５度回転されて前記ミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された前記２つの直線偏光が、再度、前記ファラデー回転子を透過することにより、前記２つの直線偏光の偏光面は更に４５度回転され、
次に前記２つの直線偏光は、再度、前記複屈折素子に入射されることで１つの光に再合成され、
前記再合成された光が前記光ファイバに入射されることを特徴とする光ファイバ複屈折補償ミラー。
【請求項２】
前記複屈折素子における前記異常光線のシフト量が、前記光ファイバのモードフィールド直径の２倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ複屈折補償ミラー。
【請求項３】
光ファイバ複屈折補償ミラーは、
光ファイバと、第１の複屈折素子と、第２の複屈折素子と、レンズと、マグネットと、前記マグネットからの磁界が印加されることで磁気飽和されて４５度のファラデー回転角を有するファラデー回転子と、ミラーを備え、
前記第１の複屈折素子、前記第２の複屈折素子、前記ファラデー回転子、及び前記ミラーの各部品は、前記光ファイバの光入出射端面から、前記第１の複屈折素子、前記第２の複屈折素子、前記ファラデー回転子、及び前記ミラーの順に配置され、
前記光ファイバはシングルモード型であり、
前記第２の複屈折素子の光学面での結晶軸方向は、前記第１の複屈折素子の光学面での結晶軸方向に対して、９０度異なるように設定され、
更に、
前記光ファイバ内を伝搬してきた光は、前記第１の複屈折素子で互いに直交する常光線と異常光線の２つの直線偏光に分離され、
前記第１の複屈折素子を透過した前記２つの直線偏光は、前記第２の複屈折素子を透過するときに、前記第１の複屈折素子を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第１の複屈折素子を異常光線で透過した光は常光線で透過され、前記レンズによって集光され、
前記第１の複屈折素子を透過時の前記異常光線と、前記第２の複屈折素子を透過時の前記異常光線の、各シフト量は同一に設定され、
更に、前記２つの直線偏光は前記ファラデー回転子を透過することにより、それぞれの偏光面が４５度回転されて前記ミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された前記２つの直線偏光が、再度、前記ファラデー回転子を透過することにより、前記２つの直線偏光の偏光面は更に４５度回転され、
次に、前記ファラデー回転子を透過した前記２つの直線偏光が前記第２の複屈折素子を透過するときに、一方の前記直線偏光のみがシフトされ、
更に前記２つの直線偏光が、再度、前記第１の複屈折素子に入射され、前記第２の複屈折素子を透過した前記２つの直線偏光が前記第１の複屈折素子を透過するときに、前記第２の複屈折素子を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第２の複屈折素子を異常光線で透過した光は常光線で透過されることで、一方の前記直線偏光のみがシフトされて前記２つの直線偏光は１つの光に再合成され、
前記再合成された光が前記光ファイバに入射されることを特徴とする光ファイバ複屈折補償ミラー。
【請求項４】
前記第１の複屈折素子における前記異常光線の前記シフト量と、前記第２の複屈折素子における前記異常光線の前記シフト量の合計が、前記光ファイバのモードフィールド直径の２倍以上であることを特徴とする、請求項３に記載の光ファイバ複屈折補償ミラー。
【請求項５】
前記第２の複屈折素子を透過する時に前記常光線と前記異常光線の分離で生じる前記２つの直線偏光間の光路長差が、
前記第１の複屈折素子を透過する時に前記常光線と前記異常光線の分離で生じる前記２つの直線偏光間の光路長差に等しく設定されることを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の光ファイバ複屈折補償ミラー。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光ファイバ複屈折補償ミラーの前記光ファイバが、
電流が流れる導体に設置され前記導体を流れる電流を測定する電流センサのセンサ用光ファイバに光学的に接続されていることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統の電流の値を検知する電流センサや、磁界センサ、光通信分野での伝送路で接続された送信部及び受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置、又は、光スイッチ、光源、アンプ、干渉計、アドドロップ等に使用される光ファイバ複屈折補償ミラーと、前記電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力設備の電力系統の電流測定には巻線型変流器が広く用いられている。しかし巻線型変流器は、測定すべき系統電圧が大きくなるほど大型化してしまい、コストと設置スペースが嵩むという問題がある。特にＧＩＳ（Ｇａｓ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｗｉｔｃｈ）と称される絶縁性ガスを用いるガス絶縁開閉装置では、小型化及び省スペース化が強く要求されるため、大型の巻線型変流器を搭載することが困難になっている。【０００３】
このため、小型化と省スペース化、及び、高絶縁性、耐ノイズ性の点から、光ファイバ自体のファラデー効果を使い、電流導体の周囲に光ファイバを周回設置して電流測定を行う電流センサが、従来から各種提案され用いられている。この電流センサは光ファイバに直線偏光を入射し、この光ファイバを被測定電流が流れる導体に周回させ、電流に比例して発生する磁界により、光ファイバ中の直線偏光の偏光面を光ファイバのファラデー効果によって回転させる。この時、偏光面の回転角度は被測定電流の大きさに比例する。よって、この回転角度を測定することで、電流の大きさを求めることが出来る。【０００４】
図１５は、光ファイバのファラデー効果を利用した電流センサの一例である、特許文献１記載の電流センサを示した模式図である。この電流センサ１００は、光サーキュレータ１０１と、複屈折素子１０２と、ファラデー回転子１０３と、センサ用の光ファイバ１０４から構成されている。光ファイバ１０４は被測定電流が流れる導体１０５の外周に周回配置される。そして光ファイバ１０４の一端にはファラデー回転子１０３が設けられ、他端にはミラー１０６が設けられる。又、複屈折素子１０２と光サーキュレータ１０１は、それぞれ光ファイバで接続され、光サーキュレータ１０１は光源１０７からの光が光ファイバ１０４側へ透過する向きに接続される。【０００５】
光源１０７から出射され、光ファイバ１０８及び光サーキュレータ１０１を介して複屈折素子１０２へ入射される光は、複屈折素子１０２によって直線偏光となり、ファラデー回転子１０３へ入射される。ファラデー回転子１０３は、マグネット１０９と、このマグネット１０９によって磁気飽和された強磁性ガーネット１１０とから構成され、強磁性ガーネット１１０を透過する光の偏光面を２２．５度回転させる。ファラデー回転子１０３を透過した直線偏光は光ファイバ１０４に入射され、導体１０５を流れる被測定電流で生じた磁界によってファラデー回転を受け、直線偏光の偏光面は磁界の大きさに比例した回転角度だけ回転する。【０００６】
光ファイバ１０４を伝搬する光は、更にミラー１０６で反射されて再び光ファイバ１０４を伝搬する際に前記磁界により再度ファラデー効果により回転され、再びファラデー回転子１０３に入射される。光はファラデー回転子１０３を再び透過することで更に偏光面が２２．５度回転されるので、偏光面はファラデー回転子１０３により往復で４５度回転される。ファラデー回転子１０３を透過した光は再び複屈折素子１０２に伝搬され、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分離される。分離された一方の直線偏光は光サーキュレータ１０１と光ファイバ１１１を介して受光素子１１２で受光され、電気信号Ｓ１に変換される。又、もう一方の直線偏光は光ファイバ１１３を介して受光素子１１４で受光され、電気信号Ｓ２に変換される。【０００７】
光ファイバ１０４で伝搬される直線偏光に生じるファラデー回転角に応じて、受光素子１１２と１１４で受光される光量は変化するので、この変化を反映した電気信号Ｓ１及びＳ２を信号処理回路１１５で処理することにより、光ファイバ１０４で発生したファラデー回転角を求めることが出来る。そして求められたファラデー回転角から被測定電流が計算される。【０００８】
又、前述したＧＩＳ等の送変電設備は大電流化しており、このような大電流を光ファイバで検出するためには、最大測定電流値が大きい石英系光ファイバを用いる必要がある。【０００９】
しかし、電流検出を行う光ファイバ１０４に石英系光ファイバを用いた場合、曲げや振動で生じる応力により直線複屈折が発生し、伝搬する直線偏光が楕円化することで測定誤差が大きくなる。即ち、電流センサ１００のような、光ファイバのファラデー効果を利用した電流センサに外部より振動が加わると、光ファイバ自体が有する光弾性により、被測定電流の測定結果が大きく変動してしまうという問題があった。【００１０】
例えば、前記ＧＩＳ内の遮断器の動作によって測定結果が変動する例を図１６に示す。系統周波数が６０Ｈｚで定常時における測定結果は、図１６（ａ）で示すような波形である。この定常状態に振動が加わると、図１６（ｂ）で示すように測定結果は大きく変動する。【００１１】
そこで光ファイバ１０４に、酸化鉛を含有する低複屈折光ファイバが用いられる。酸化鉛を含有する光ファイバが用いられる理由は、光弾性係数が石英系光ファイバと比較して非常に小さいため、伝搬する偏光は曲げや振動等による応力に対して影響を受けにくいためである。【００１２】
しかしながら、酸化鉛を含有する光ファイバは前記石英系光ファイバに対してファラデー回転能を示すベルデ定数が約５倍であることから、石英系光ファイバと比較して最大検出電流が小さく、大電流の測定には不利であった。【００１３】
そこで、光ファイバで発生する前記各問題を抑制する手段して、ファラデー回転子を備えたファラデーミラーを、前記ミラー１０６に換えて光ファイバ１０４の他端側に光学的に接続する方法が考えられる。前記ファラデー回転子を備えたファラデーミラーの一例として、例えば特許文献２が挙げられる。【００１４】
図１８に、特許文献２記載のファラデーミラー１２３の構成を示す。ファラデーミラー１２３は、光ファイバホルダ１２４中心孔にフェルール１２５を介して、光ファイバ１２６、光ファイバ１２７、及びその先端に球状部１２８を形成した収束ビーム系一体端末を内挿し、球状部１２８を突出させ、対向して４５度ファラデー回転子１２９、ミラー１３０を配置し、ファラデー回転子１２９を磁化するためのマグネット１３１を外挿したキャップ１３２により封止した。光ファイバ１２７からミラー１３０へ光が進む方向を順方向、ミラー１３０から光ファイバ１２７へ光が進む方向を逆方向と定義すると、順方向において光ファイバ１２７を伝搬し球状部１２８から出射された光は、ファラデー回転子１２９により偏光面が４５度回転し、ミラー１３０で反射される。更に、逆方向で再びファラデー回転子１２９を透過する事により、偏光面が更に４５度回転し、順方向時に光ファイバ１２７、球状部１２８から出射された光の偏光面に対し、逆方向では９０度回転した状態で、光は光ファイバ１２７に戻ることとなる。【００１５】
しかしながら、ファラデーミラー１２３を搭載した電流センサの振動特性は、前記ミラー１０６の搭載時よりも改善されるものの高精度測定用としては不十分であり、更に温度特性も悪かった。この原因はファラデー回転子１２９が温度特性と波長特性を持っており、又、４５度のファラデー回転角を決めるための厚さ加工精度に限界があり、測定時の温度，波長において、ファラデー回転子を往復した時の偏光面のファラデー回転角が９０度からずれることにより、光ファイバの複屈折を完全に補償できないためであった。又、電流センサの測定精度の波長、温度特性も悪くなる。図１９にファラデーミラー１２３を接続した電流センサから出力される、被測定電流測定値における温度依存性を、比誤差−温度特性で示す。図１９では、温度３５度近くで比誤差が最も低下するものの、３５度よりも温度が低下又は上昇すると、比誤差の変動幅も非線形に増加し、ファラデー回転子１２９の温度特性が電流センサの被測定電流の測定値を変動させてしまうことが分かる。【００１６】
そこで光ファイバ１０４で発生する前記各問題を抑制する手段して、ファラデー回転子を使用せず、前記ミラー１０６に換えてλ／４波長板を備えた偏光面回転ミラーを、光ファイバ１０４の他端側に光学的に接続することが考案されている。前記λ／４波長板を備えた偏光面回転ミラーの一例として、例えば特許文献３が挙げられる。【００１７】
図１７に、特許文献３記載の偏光面回転ミラーの構成を示す。偏光面回転ミラー１１６内の、光ファイバ１１７の光入出射端面１１７ａから光が出射され第１の複屈折素子１１８に入射すると、その光は互いに偏光方向が直交する、常光線と異常光線の２つの直線偏光に分離される。次に二つの直線偏光は第２の複屈折素子１１９に入射される。第１の複屈折素子１１８と第２の複屈折素子１１９の、それぞれの光学面における結晶軸方向は９０度異なるように設定されるため、第１の複屈折素子１１８を常光線で透過した光は、第２の複屈折素子１１９では異常光線となり、図１７のｘ軸方向にシフトされる。従って２つの直線偏光は、第１の複屈折素子１１８と第２の複屈折素子１１９とを透過するときに、必ず常光線と異常光線の両方の光路をとり、第１の複屈折素子１１８と第２の複屈折素子１１９が同じ結晶軸方向と厚さであれば、光路長は等しい。常光線及び異常光線の２つの偏光成分は、２つの複屈折素子１１８、１１９によって同一距離だけシフトされているため、第１の複屈折素子１１８内での分離の際に発生する２つの光の光路長差は、ミラー１２２で反射する前に解消される。【００１８】
次に、２つの直線偏光はλ／４波長板１２０に入射し、電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる、２つの円偏光に変換される。λ／４波長板１２０から出射した２つの円偏光はレンズ１２１で集光され、ミラー１２２の表面上の一点Ｒで点対称に反射され、反射前後で円偏光の光路が入れ替わり、且つ反射によって円偏光の回転方向が逆転する。【００１９】
反射された円偏光は再度λ／４波長板１２０を透過し、電気ベクトルの振動方向が９０度異なる２つの直線偏光に変換され、その際、反射前の光路（往路）におけるｘ方向、ｙ方向の直線偏光は、反射後の光路（復路）ではそれぞれｙ方向、ｘ方向の直線偏光となる。２つの直線偏光は第２の複屈折素子１１９及び第１の複屈折素子１１８を再び透過し、１つの光に再合成される。再合成により形成された光は光ファイバ１１７に入射される。【００２０】
ミラー１２２で反射後に光ファイバ１１７に入射する前に、２つの光は２つの複屈折素子１１８、１１９によって同一距離だけシフトされるため、再合成された光は光ファイバ１１７に入射する前に、ミラー１２２で反射した２つの光の光路長差は解消される。【００２１】
以上により、偏光面回転ミラー１１６に依れば、光ファイバ１０４から出射された任意の偏光に対し、偏光主軸が９０度回転され、かつ楕円偏光成分がある場合には回転方向が逆転した偏光、即ちポアンカレ球上で真裏に位置する偏光に変換し、光ファイバ１０４へ入射することで、光ファイバ１０４の複屈折を補償し、電流センサ１００の安定した測定が可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平１０−３１９０５１号公報
【特許文献２】実開平７−４１５０７号公報
【特許文献３】特開２００８−６５１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、ファラデー回転子を使用しない前記偏光面回転ミラー１１６であっても、組立時に最適結合位置を探す調芯時において、結合ピーク位置が幾つも現れ、どの位置が最適結合位置か判断し辛く、組立が難しいという課題があった。その原因としては、２つの円偏光がミラー１２２で一点反射する際に、電気ベクトル先端の回転方向が互いに逆方向であるため、円偏光どうしで発生する干渉によるものと推測される。【００２４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、幾つもの結合ピーク位置の発生を解消することで調芯組立し易いと共に、電流センサにおけるセンサ用光ファイバで発生する複屈折を補償して、電流センサの耐振動性を向上させ、且つ電流センサの大電流検出を可能とする、光ファイバ複屈折補償ミラーを提供することにあり、またその光ファイバ複屈折補償ミラーが光学的に接続されることで耐振動性が向上した電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題は以下の本発明により達成される。即ち、
本発明の光ファイバ複屈折補償ミラーは、光ファイバと、複屈折素子と、レンズと、マグネットと、マグネットからの磁界が印加されることで磁気飽和されて４５度のファラデー回転角を有するファラデー回転子と、ミラーを備え、
複屈折素子、ファラデー回転子、及びミラーの各部品は、光ファイバの光入出射端面から、複屈折素子、ファラデー回転子、及びミラーの順に配置され、
光ファイバはシングルモード型であり、
更に、
光ファイバ内を伝搬してきた光は、複屈折素子で互いに直交する常光線と異常光線の２つの直線偏光に分離されてレンズによって集光され、
更に、２つの直線偏光はファラデー回転子を透過することにより、それぞれの偏光面が４５度回転されてミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された２つの直線偏光が、再度、ファラデー回転子を透過することにより、２つの直線偏光の偏光面は更に４５度回転され、
次に２つの直線偏光は、再度、複屈折素子に入射されることで１つの光に再合成され、前記再合成された光が光ファイバに入射されることを特徴とするものである。【００２６】
更に、本発明の光ファイバ複屈折補償ミラーは、前記の光ファイバ複屈折補償ミラーにおいて前記複屈折素子における前記異常光線のシフト量が、前記光ファイバのモードフィールド直径の２倍以上であることを特徴とするものである。【００２７】
また、本発明の光ファイバ複屈折補償ミラーは、
光ファイバと、第１の複屈折素子と、第２の複屈折素子と、レンズと、マグネットと、前記マグネットからの磁界が印加されることで磁気飽和されて４５度のファラデー回転角を有するファラデー回転子と、ミラーを備え、
第１の複屈折素子、第２の複屈折素子、ファラデー回転子、及びミラーの各部品は、光ファイバの光入出射端面から、第１の複屈折素子、第２の複屈折素子、ファラデー回転子、及びミラーの順に配置され、
光ファイバはシングルモード型であり、
第２の複屈折素子の光学面での結晶軸方向は、第１の複屈折素子の光学面での結晶軸方向に対して、９０度異なるように設定され、
更に、
光ファイバ内を伝搬してきた光は、第１の複屈折素子で互いに直交する常光線と異常光線の２つの直線偏光に分離され、
第１の複屈折素子を透過した２つの直線偏光は、第２の複屈折素子を透過するときに、第１の複屈折素子を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、第１の複屈折素子を異常光線で透過した光は常光線で透過され、レンズによって集光され、
第１の複屈折素子を透過時の前記異常光線と、第２の複屈折素子を透過時の前記異常光線の、各シフト量は同一に設定され、
更に、２つの直線偏光はファラデー回転子を透過することにより、それぞれの偏光面が４５度回転されてミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された２つの直線偏光が、再度、ファラデー回転子を透過することにより、２つの直線偏光の偏光面は更に４５度回転され、
次に、ファラデー回転子を透過した２つの直線偏光が第２の複屈折素子を透過するときに、一方の直線偏光のみがシフトされ、
更に２つの直線偏光が、再度、第１の複屈折素子に入射され、第２の複屈折素子を透過した２つの直線偏光が第１の複屈折素子を透過するときに、第２の複屈折素子を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、第２の複屈折素子を異常光線で透過した光は常光線で透過されることで、一方の直線偏光のみがシフトされて２つの直線偏光は１つの光に再合成され、
前記再合成された光が光ファイバに入射されることを特徴とするものである。【００２８】
更に、本発明の光ファイバ複屈折補償ミラーは、前記の光ファイバ複屈折補償ミラーにおいて第１の複屈折素子における異常光線のシフト量と、第２の複屈折素子における異常光線のシフト量の合計が、光ファイバのモードフィールド直径の２倍以上であることを特徴とするものである。【００２９】
更に、本発明の光ファイバ複屈折補償ミラーは、前記の光ファイバ複屈折補償ミラーにおいて前記第２の複屈折素子を透過する時に常光線と異常光線の分離で生じる２つの直線偏光間の光路長差が、
第１の複屈折素子を透過する時に常光線と異常光線の分離で生じる２つの直線偏光間の光路長差に等しく設定されることを特徴とするものである。【００３０】
本発明の電流センサは、前記の光ファイバ複屈折補償ミラーの前記光ファイバが、電流が流れる導体に設置され前記導体を流れる電流を測定する電流センサのセンサ用光ファイバに光学的に接続されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の請求項１又は請求項３に記載の光ファイバ複屈折補償ミラーに依れば、光ファイバからの出射光を直交した２つの直線偏光に分離し、その直交した２つの直線偏光を点対称に反射させる光路構成である。即ち、２つの直線偏光はミラーでの点対称反射時には偏光方向が直交しているため、干渉が解消され、複数の結合ピーク位置の発生を防止することが出来る。従って最適結合位置が探し易くなり、調芯組立作業が容易となる。【００３２】
更に、請求項１に記載の光ファイバ複屈折補償ミラーは、２つの直線偏光が複屈折素子を往復で二回透過する際に、ミラーによる反射とファラデー回転子による９０度の偏光面回転により常光線と異常光線を入れ替えることで、光ファイバから出射された任意の偏光に対し、ポアンカレ球上で真裏に位置する偏光を光ファイバに入射させているため、光ファイバで発生する複屈折を補償することが可能となる。【００３３】
又、請求項３に記載の光ファイバ複屈折補償ミラーは、２つの直線偏光が２つの複屈折素子によって同一距離だけシフトされる。従って、第１の複屈折素子の分離の際に発生する２つの直線偏光の光路長差が第２の複屈折素子で補償され、２つの直線偏光がレンズに入射する前に光路長差が解消される。従って、レンズの焦点位置ずれに起因する結合効率の劣化が防止される。更に、光路長差を補償した後にミラーによる反射とファラデー回転子による９０度の偏光面回転により、常光線と異常光線が入れ替わるように光路が構成されていることで、光ファイバから出射された任意の偏光に対し、ポアンカレ球上で真裏に位置する偏光を光ファイバに入射させているため、光ファイバで発生する複屈折を補償することが可能となる。【００３４】
又、請求項１又は請求項３に記載の光ファイバ複屈折補償ミラーではファラデー回転子を使用しているが、そのファラデー回転子が温度特性，波長特性を有しても、２つの直線偏光の偏光面の直交性が保たれるため、光ファイバで発生する複屈折が補償される。【００３５】
更に、請求項２又は請求項４に記載の光ファイバ複屈折補償ミラーに依れば、ファラデー回転子が温度特性，波長特性を有することで、ファラデー回転子を往復することによる２つの直線偏光のファラデー回転角の合計が９０度からずれたとしても、複屈折素子で分離された９０度からずれた成分の直線偏光の光ファイバへの入射を防止することが可能となる。【００３６】
更に、請求項５に記載の光ファイバ複屈折補償ミラーに依れば、第１の複屈折素子の分離の際に発生する２つの直線偏光の光路長差を、より確実に第２の複屈折素子で補償することが出来る。【００３７】
又、請求項６に記載の電流センサに依れば、請求項１乃至請求項５の何れかの光ファイバ複屈折補償ミラーを光学的に接続することにより、光ファイバの複屈折が補償されているため、センサ用の光ファイバ自体が有する光弾性に起因した振動による測定結果の変動が抑制され、耐振動性が向上する。【００３８】
更に、耐振動性に優れるため、酸化鉛を含有する光ファイバよりも複屈折性が大きい、石英系光ファイバをセンサ用光ファイバに使用することが可能となり、大電流検出が可能な電流センサを形成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラーの構成図である。
【図２】図１の光ファイバ複屈折補償ミラーの複屈折素子とファラデー回転子とマグネットの配置を示す斜視図である。
【図３】図１の光ファイバ複屈折補償ミラーを伝搬する光の偏光状態を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラーの構成図である。
【図５】図４の光ファイバ複屈折補償ミラーの、第１の複屈折素子と第２の複屈折素子、及びファラデー回転子とマグネットの配置を示す斜視図である。
【図６】図４の光ファイバ複屈折補償ミラーにおいて、光ファイバから出射してミラーで反射されるまでの光の偏光状態を示す図である。
【図７】図４の光ファイバ複屈折補償ミラーにおいて、ミラーで反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す図である。
【図８】実施例１〜３に係る、ファラデーミラー、及びミラーの構成図である。
【図９】実施例１に係る光学系を示す構成図である。
【図１０】実施例２に係る光学系を示す構成図である。
【図１１】実施例３においてミラー７で形成された電流センサの測定電流波形変動図である。
【図１２】実施例３においてファラデーミラー１１で形成された電流センサの測定電流波形変動図である。
【図１３】実施例３において光ファイバ複屈折補償ミラー１で形成された電流センサの測定電流波形変動図である。
【図１４】実施例３において光ファイバ複屈折補償ミラー１０で形成された電流センサの測定電流波形変動図である。
【図１５】光ファイバ利用した従来の電流センサの一例を示す模式図である。
【図１６】ＧＩＳ内の遮断器による電流センサの測定結果変動例を示す波形図である。
【図１７】従来の偏光面回転ミラーの一例を示す模式図である。
【図１８】従来のファラデーミラーの一例を示す断面図である。
【図１９】図１８に示すファラデーミラーを接続した電流センサから出力される、被測定電流測定値における比誤差−温度特性を示すグラフである。
【図２０】図１に示す光ファイバ複屈折補償ミラーを接続した電流センサから出力される、被測定電流測定値における比誤差−温度特性を示すグラフである。
【図２１】図４に示す光ファイバ複屈折補償ミラーを接続した電流センサから出力される、被測定電流測定値における比誤差−温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラーを、図１と図２に基づいて詳細に説明する。各図のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸はそれぞれ一対一に対応している。図１において、光ファイバ複屈折補償ミラー１は、光ファイバ２と、互いに平行な２つの面３ａ及び３ｂを有する複屈折素子３、１個のレンズ４、マグネット５、ファラデー回転子６、及びミラー７を備えて構成される。更に、複屈折素子３、ファラデー回転子６、及びミラー７の各部品は、光ファイバ２の光入出射端面２ａから見て、複屈折素子３、ファラデー回転子６、及びミラー７の順に配置されると共に、レンズ４が複屈折素子３とファラデー回転子６の間に配置されている。
【００４１】
光ファイバ２の光入出射端面２ａには研磨加工が施され、前記複屈折素子３の一方の面３ａに対向して配置されている。光入出射端面２ａは斜めに形成されることが好ましく、その角度φ（即ち、コア２ｂの軸方向に垂直な方向に対する角度）は、約６〜８度程度に設定されることが最も好ましい。なお、光入出射端面２ａには、誘電体による反射防止膜を施すことが望ましい。光ファイバ２は、コア２ｂ、及びコア２ｂの屈折率より低い屈折率を有するクラッド２ｃが、前記コア２ｂの周囲を囲むことで構成され等方的な屈折率分布を有する、シングルモード型の光ファイバであり、例えば石英系光ファイバを用いる。光ファイバ２は一例として、光ファイバのファラデー効果を利用した電流センサのセンサ用光ファイバに光学的に接続されており、この場合、図示しない電流センサ等から伝搬された光を複屈折素子３に出射すると共に、ミラー７によって反射された光を入射して、図示しない電流センサ等へと前記反射光を再伝搬する。
【００４２】
複屈折素子３は一軸性複屈折結晶であり、結晶軸Ｘ３１が面３ａのＺ軸方向に対して角度αで傾斜するように調整されると共に、光学面（面３ａ）での結晶軸Ｘ３２は図２に示すようにｙ軸と平行に配置される。複屈折素子３としては、例えば、ルチル（ＴｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、イットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等を用いることが出来る。これら結晶の中でも、特に硬くて傷が付きにくく潮解性のないルチルを用いることが好ましい。複屈折素子３にルチルを使用する場合、面法線と結晶軸との角度α（図１の結晶軸Ｘ３１方向に該当）は４７．８度に設定する。又、複屈折後の常光線及び異常光線を平行に出射するために、２つの面３ａ及び３ｂは平行に設定する。なお、複屈折素子３の光学面には、誘電体による反射防止膜を施すことが望ましい。そして光ファイバ２と複屈折素子３の間を、光が伝搬する。
【００４３】
一方、複屈折素子３の他方の面３ｂには、レンズ４が面対向で配置される。レンズ４は入射した光の集光を行う。レンズ４には、非球面レンズ、ボールレンズ、平凸レンズ、或いは、屈折率分布レンズ等を用いることが好ましい。又、レンズ４の材料には、例えば、ガラスやプラスチックを用いる。
【００４４】
ファラデー回転子６は、複屈折素子３及びレンズ４を透過した光を入射して、その光の偏光面を回転させる非相反性の偏光面回転素子であり、マグネット５の近傍に設置され、そのマグネット５からの磁界が印加されることで、その磁界の強度に比例して前記偏光面を回転させる。ファラデー回転子６には、マグネット５からの磁界が印加されて磁気飽和された時にファラデー回転角が４５度となる、出来るだけ薄いファラデー効果を有する単結晶を使用する。具体的には強磁性のビスマス置換型ガーネットが最適である。偏光面の回転方向は、複屈折素子３からｚ軸方向に見たときに時計方向又は反時計方向どちらに設定しても良いが、図２では反時計方向の例を図示している。又、ファラデー回転子６の外形は平板状に形成される。ファラデー回転子６を配置する際には、レンズ４を介して複屈折素子３の他方の面３ｂと、ファラデー回転子の一方の面６ａを面対向させる。
【００４５】
マグネット５はリング状の外形形状に形成され、ファラデー回転子６の周囲を囲むように配置されており、磁界をファラデー回転子６に印加してファラデー回転子６を磁気飽和させる。マグネット５には、一例としてＳｍ−Ｃｏ系又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の永久磁石を用いる。
【００４６】
ミラー７は、レンズ４で集光された光を反射する部品で、基板の表面に金属膜を蒸着したミラーを用いた。なお、誘電体多層膜によるミラーでも良い。
【００４７】
次に、光ファイバ複屈折補償ミラー１の動作について図１と図３を参照して説明を行う。図３の（Ａ）〜（Ｆ）は、光ファイバ複屈折補償ミラー１における光の偏光状態を示す図であり、図１の符号（Ａ）〜（Ｆ）で示す各光路断面での光の偏光状態に対応している。図３では、横方向がｘ軸、縦方向がｙ軸、紙面に向かう方向がｚ軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に８分割して、横方向は１〜８で、縦方向はａ〜ｈで、各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。
【００４８】
前記電流センサ等からの光が光ファイバ２に伝搬されると、光ファイバ２内を伝搬してきた光は、光入出射端面２ａから複屈折素子３へと一定の広がり角で広がりながら出射され、複屈折素子３に入射される。
【００４９】
光ファイバ２から複屈折素子３へと入射する光の入射位置は、マトリクスで見ると図３（Ａ）に示すように、横方向では４と５の間で、縦方向ではｅとｆの間である。本実施の形態ではこのような位置を（４−５，  ｅ−ｆ）と表す。又、符号Ｒはミラーにおける各直線偏光の反射点である。
【００５０】
複屈折素子３に入射した光は、図３（Ｂ）に示すように複屈折素子３で結晶軸Ｘ３２に直交した常光線と、平行な異常光線との、互いに偏光方向が直交する２つの直線偏光に分離される。異常光線となる直線偏光８ｂはｙ軸方向に沿って配置されている結晶軸Ｘ３２に平行な方向にシフトされ、複屈折素子３から出射する際の伝搬位置は、図３（Ｂ）より（４−５，ｃ−ｄ）となる。一方、直線偏光８ａは結晶軸Ｘ３２の方向に対して直交するので複屈折素子３内部ではシフトされず、常光線として伝搬位置が変更されないまま透過される。従って複屈折素子３から出射する光の伝搬位置は、図３（Ｂ）より（４−５，  ｅ−ｆ）のままである。ここで、常光線の伝搬方向における複屈折素子３の厚み（結晶長）Ｄは、
【００５１】
【数１】
2011148634.tif 000003
【００５２】
で表される。但し、ｎｏ：複屈折素子３中における常光線の屈折率、ｎｅ：複屈折素子３中における異常光線の屈折率、θ：複屈折素子３の結晶軸Ｘ３１と、常光線の伝搬方向に垂直な面とのなす角度、ｄｃ：常光線と異常光線の分離幅、をそれぞれ示している。
【００５３】
上述のように厚みＤを設定した場合、結晶毎にｎｏ、ｎｅが変動しても、それに応じて最適な厚みを設定し、面３ｂから分離光を出射させることが可能となる。又、結晶軸Ｘ３１の方向を調整すれば、厚みＤを小さくすることが可能となる。なお、ｎｏ、ｎｅやｄｃが一定で複屈折素子３がルチルの場合、理論上はαが４７．８度のとき、厚みＤを最小に抑えつつ、常光線と異常光線の分離幅を最大にすることが可能となるので、αは４７．８度が最も好ましい。
【００５４】
複屈折素子３における異常光線のシフト量は、光ファイバ２のモードフィールド直径の２倍以上に設定することが望ましい。その理由は、ファラデー回転子６が温度特性，波長特性を有することで、ファラデー回転子６を往復することによる２つの直線偏光のファラデー回転角が９０度からずれたとしても、複屈折素子３で分離された９０度からずれた成分の直線偏光の光ファイバ２への入射を防止することが可能となるためである。
【００５５】
複屈折素子３から出射した２つの直線偏光８ａ、８ｂは、次にレンズ４の光軸Ｘ４に対し平行にレンズ４に入射され集光されるが、集光時には偏光状態は変化しない。
【００５６】
レンズ４で集光された２つの直線偏光８ａ、８ｂは、更にファラデー回転子６に入射する。前記の通りファラデー回転子６は、マグネット５からの磁界が印加されているので、磁気飽和されて４５度のファラデー回転角を有するように設定されている。従って、レンズ４から出射された２つの直線偏光８ａ、８ｂのそれぞれの偏光面は、ファラデー回転子６を透過することにより、図３（Ｃ）に示すように４５度だけ同一方向に回転する。
【００５７】
ファラデー回転子６を透過した２つの直線偏光８ａ、８ｂは、入射角と反対側にミラー７の表面上の一点Ｒで点対称に反射され、図１、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に示すように反射前後で上下位置が入れ替わる。図１から分かるように、光ファイバ複屈折補償ミラー１では、ミラー７における反射点（前記、一点Ｒ）と、レンズ４の光軸Ｘ４とが、光の伝搬方向（ｚ軸方向）において同一直線上に来るように、ミラー７とレンズ４とを位置決めして配置している。更にレンズ４の位置決めは、２つの直線偏光８ａ、８ｂの各中心位置を、レンズ４の光軸Ｘ４から等距離となるように行う。
【００５８】
反射された２つの直線偏光８ａ、８ｂは、再度、ファラデー回転子６を透過することにより、２つの直線偏光８ａ、８ｂのそれぞれの偏光方向は同一方向に更に４５度回転される（図３（Ｅ）参照）。従って、ミラー７で反射後にファラデー回転子６を透過した２つの直線偏光８ａ、８ｂの偏光面は、図３（Ｂ）で示したファラデー回転子６に入射前の偏光面に対し、９０度回転されていることが分かる。その内の一方の直線偏光８ａは、この後、複屈折素子３に再度入射された時に、複屈折素子３内部では異常光線となり、もう一方の直線偏光８ｂは、複屈折素子３内部では常光線となる。
【００５９】
ファラデー回転子６から出射された２つの直線偏光８ａ、８ｂは再度レンズ４を透過し、レンズ４の光軸Ｘ４に関して対称の位置に出射される。更にその光線軸がｚ軸に対し平行となるようにレンズ４から出射される。
【００６０】
次に２つの直線偏光８ａ、８ｂは、再度、複屈折素子３に入射される。前記の通り、２つの直線偏光８ａ、８ｂは、複屈折素子３内部ではそれぞれ常光線と異常光線になり、図３（Ｆ）に示すように異常光線のみシフトされて、１つの光に再合成される。２つの直線偏光８ａ、８ｂが、再度複屈折素子３に入射され複屈折素子３を再透過する時には、光が最初に複屈折素子３を透過する際に常光線として透過した直線偏光８ａは、再透過の時は異常光線として複屈折素子３を透過する。一方、最初に複屈折素子３を透過する際に異常光線として透過した直線偏光８ｂは、再透過の時は常光線として複屈折素子３を透過して、２つの直線偏光８ａ、８ｂは１つの光に再合成される。
【００６１】
再合成された光は、複屈折素子３の一方の面３ａから出射され、光ファイバ２のコア２ｂに入射され、光ファイバ２を伝搬して電流センサ等のセンサ用光ファイバに再伝搬される。
【００６２】
以上、本実施形態の光ファイバ複屈折補償ミラー１に依れば、光ファイバ２からの出射光を直交した２つの直線偏光８ａ，８ｂに分離し、その直交した２つの直線偏光８ａ，８ｂを点対称に反射させる光路構成である。即ち、２つの直線偏光８ａ，８ｂはミラー７での点対称反射時には偏光方向が直交しているため、干渉が解消され、複数の結合ピーク位置の発生を防止することが出来る。従って最適結合位置が探し易くなり、調芯組立作業が容易となる。
【００６３】
更に、２つの直線偏光８ａ，８ｂが複屈折素子３を往復で二回透過する際に、ミラー７による反射とファラデー回転子６による９０度の偏光面回転により常光線と異常光線を入れ替えることで、光ファイバ２から出射された任意の偏光に対し、ポアンカレ球上で真裏に位置する偏光を光ファイバ２に入射させているため、光ファイバ２で発生する複屈折を補償することが可能となる。
【００６４】
又、光ファイバ複屈折補償ミラー１ではファラデー回転子６を使用しているが、そのファラデー回転子６が温度特性，波長特性を有しても、２つの直線偏光８ａ，８ｂの偏光面の直交性が保たれるため、光ファイバ２で発生する複屈折が補償される。
【００６５】
本実施の形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラー１はこのような効果を有するため、この光ファイバ複屈折補償ミラー１を電流センサ等に光学的に接続することにより、光ファイバ２の複屈折が補償されているため、センサ用の光ファイバ自体が有する光弾性に起因した振動による測定結果の変動が抑制され、耐振動性が向上する。
【００６６】
更に、耐振動性に優れるため、酸化鉛を含有する光ファイバよりも複屈折性が大きい、石英系光ファイバをセンサ用光ファイバに使用することが可能となり、大電流検出が可能な電流センサを形成することが出来る。
【００６７】
図２０に光ファイバ複屈折補償ミラー１を接続した電流センサから出力される、被測定電流測定値における温度依存性を、比誤差−温度特性で示す。なお、図２０の比誤差とは、光ファイバ複屈折補償ミラー１を電流センサに接続し、且つ光ファイバ複屈折補償ミラー１の温度を−２０度から８０度まで変化させた時の、電流センサから出力される被測定電流の測定値における比誤差である。図２０により、光ファイバ複屈折補償ミラー１を接続することにより電流センサの温度依存性は、温度範囲−２０度から８０度に亘ってほぼ皆無と見なせる程度まで抑えられ、比誤差の変動は殆ど無いことが分かる。従って、電流センサの被測定電流の測定値における変動が抑制されることが分かる。
【００６８】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラーを図４と図５に基づいて詳細に説明する。各図のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸はそれぞれ一対一に対応している。なお、第一の実施形態と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略もしくは簡略化して記述する。
【００６９】
図４において、本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラー１０が前記光ファイバ複屈折補償ミラー１と異なる点は、複屈折素子３とレンズ４の光路の間に、第２の複屈折素子９が備えられる点である。第２の複屈折素子９も互いに平行な２つの面９ａ及び９ｂを有する。以下、説明の便宜上、複屈折素子３を「第１の複屈折素子３」と記載する。更に、第１の複屈折素子３、第２の複屈折素子９、ファラデー回転子６、及びミラー７の各部品は、光ファイバ２の光入出射端面２ａから見て、第１の複屈折素子３、第２の複屈折素子９、ファラデー回転子６、及びミラー７の順に配置されると共に、レンズ４が複屈折素子３とファラデー回転子６の間に配置されている。
【００７０】
第２の複屈折素子９も第１の複屈折素子３と同様に、一軸性複屈折素子体であり、結晶軸Ｘ９１がｚ軸方向に対して角度αで傾斜するように調整されると共に、光学面（面９ａ）での結晶軸Ｘ９２がｘ軸と平行に配置される。従って、光ファイバ２から見たときの第２の複屈折素子９の結晶軸Ｘ９２方向は、第１の複屈折素子３の結晶軸Ｘ３２方向に対して９０度異なるように設定される。第２の複屈折素子９を第１の複屈折素子３に対して配置する際は、第１の複屈折素子３の他方の面３ｂと、第２の複屈折素子の一方の面９ａとを面対向させる。一方、第２の複屈折素子９の他方の面９ｂには、レンズ４が面対向で配置される。
【００７１】
第２の複屈折素子９にも、ルチル（ＴｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、イットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等を用いることが出来る。これら結晶の中でも、特に硬くて傷が付きにくく、又、潮解性のないルチルを用いることが好ましい。第２の複屈折素子９にルチルを使用する場合、面法線と結晶軸との角度α（図５の結晶軸Ｘ９１方向に該当）は４７．８度に設定する。又、複屈折後の常光線及び異常光線を平行に出射するために、２つの面９ａ及び９ｂは平行に設定する。なお、第２の複屈折素子９の光学面にも、誘電体による反射防止膜を施すことが望ましい。
【００７２】
次に、光ファイバ複屈折補償ミラー１０の動作について図４、図６、及び図７を参照して説明を行う。図６の（Ａ）〜（Ｄ）は、光ファイバ複屈折補償ミラー１０において光ファイバ２から出射してミラー７で反射されるまでの光の偏光状態を示す図であり、図４の符号（Ａ）〜（Ｄ）で示す各光路断面での光の偏光状態に対応している。更に、図７の（Ｅ）〜（Ｈ）は、光ファイバ複屈折補償ミラー１０においてミラー７で反射されて光ファイバ２に入射するまでの光の偏光状態を示す図であり、図４の符号（Ｅ）〜（Ｈ）で示す各光路断面での光の偏光状態に対応している。図６と図７では、横方向がｘ軸、縦方向がｙ軸、紙面に向かう方向がｚ軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に８分割して、横方向は１〜８で、縦方向はａ〜ｈで、各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。
【００７３】
前記第１の実施の形態と同様に、例えば電流センサ等からの光が光ファイバ２に伝搬されると、光ファイバ２内を伝搬してきた光は、光入出射端面２ａから複屈折素子３へと一定の広がり角で広がりながら出射され、第１の複屈折素子３に入射される。光ファイバ２から第１の複屈折素子３へと入射する光の入射位置は、マトリクスで見ると図６（Ａ）に示すように、横方向では４と５の間で、縦方向ではｅとｆの間である。本実施の形態ではこのような位置を（４−５，  ｅ−ｆ）と表す。
【００７４】
第１の複屈折素子３に入射した光は、ｙ軸方向に沿って配置されている結晶軸Ｘ３２方向に沿って分離され、図６（Ｂ）に示すように、互いに偏光方向が直交する常光線と異常光線の２つの直線偏光８ａ、８ｂに分離される。
【００７５】
分離された２つの直線偏光８ａ、８ｂは第１の複屈折素子３の他方の面３ｂから出射され、次に、第２の複屈折素子９に入射される。前述の通り結晶軸Ｘ９２方向は、結晶軸Ｘ３２方向に対して９０度異なるように設定されている。従って、第１の複屈折素子３で常光線だった直線偏光８ａの偏光面は、結晶軸Ｘ９２方向と平行になる。よって、第１の複屈折素子３を常光線で透過した直線偏光８ａは、第２の複屈折素子９では異常光線となるので、直線偏光８ａは図６（Ｃ）に示すように水平方向にシフトされて第２の複屈折素子９を透過する。一方、第１の複屈折素子３を異常光線で透過した直線偏光８ｂの偏光面は、結晶軸Ｘ９２に対し垂直となるのでシフトされず、第２の複屈折素子９を常光線として直進して透過する。
【００７６】
以上のように、分離される２つの直線偏光８ａ、８ｂが、第１の複屈折素子３と第２の複屈折素子９とを透過するときに必ず常光線と異常光線の両方の偏光状態をとるように、結晶軸Ｘ３２方向と結晶軸Ｘ９２方向、及び第１の複屈折素子３の厚みＤと、第２の複屈折素子９の厚みＤとを設定する。
【００７７】
第１の複屈折素子３における異常光線のシフト量と、第２の複屈折素子９における異常光線のシフト量の合計は、光ファイバ２のモードフィールド直径の２倍以上に設定することが望ましい。その理由は、ファラデー回転子６が温度特性，波長特性を有することで、ファラデー回転子６を往復することによる２つの直線偏光のファラデー回転角が９０度からずれたとしても、第２の複屈折素子９及び第１の複屈折素子３で分離された９０度からずれた成分の直線偏光の光ファイバ２への入射を防止することが可能となるためである。
【００７８】
ここで、常光線の伝搬方向における第２の複屈折素子９の厚み（結晶長）Ｄは、第１の複屈折素子３の厚みＤと同様に、
【００７９】
【数２】
2011148634.tif 000004
【００８０】
に設定される。第１の複屈折素子３を透過する時の異常光線と、第２の複屈折素子９を透過する時の異常光線の、それぞれのシフト量が同一となるように、光ファイバ複屈折補償ミラー１０の光学系を組む。従って、前記のように２つの複屈折素子３、９の厚みを同一値Ｄに設定すると共に、２つの複屈折素子３、９を同一の材料で構成することが望ましい。
【００８１】
更に、第２の複屈折素子９を透過する時に常光線と異常光線の分離で生じる２つの直線偏光間の光路長差が、第１の複屈折素子３を透過する時に常光線と異常光線の分離で生じる２つの直線偏光間の光路長差に等しく設定されることがより望ましい。各光路長差を等しくする手段としては、第２の複屈折素子９の厚みと結晶軸Ｘ９１方向とを、第１の複屈折素子３の厚みと結晶軸Ｘ３１方向に応じて設定することである。最も簡単な構成は、前記のように２つの複屈折素子３、９の厚みを同一値Ｄに設定すると共に、互いの結晶軸Ｘ３１，Ｘ９１方向も揃えた同一の材料を用い、その上で結晶軸Ｘ９２方向を結晶軸Ｘ３２方向に対して９０度異なるように設定することである。このような構成とすることにより、第１の複屈折素子３の分離の際に発生する２つの直線偏光８ａ，８ｂの光路長差を、より確実に第２の複屈折素子９で補償することが出来る。
【００８２】
第２の複屈折素子９から出射した２つの直線偏光８ａ、８ｂは、次にレンズ４の光軸Ｘ４に対し平行にレンズ４に入射されて集光され、ファラデー回転子６に入射し透過することにより、図６（Ｄ）に示すようにそれぞれの偏光面は４５度だけ同一方向に回転する。
【００８３】
ファラデー回転子６を透過した２つの直線偏光８ａ、８ｂは、入射角と反対側にミラー７の表面上の一点Ｒで点対称に反射され、図４、図６（Ｄ）、図７（Ｅ）に示すように反射前後でそれぞれの伝搬位置が入れ替わる。図４から分かるように、光ファイバ複屈折補償ミラー１０では、ミラー７における反射点（前記、一点Ｒ）と、レンズ４の光軸Ｘ４とが、光の伝搬方向（ｚ軸方向）において同一直線上に来るように、ミラー７とレンズ４とを位置決めして配置している。更にレンズ４の位置決めは、２つの直線偏光８ａ、８ｂの各中心位置を、レンズ４の光軸Ｘ４から等距離となるように行う。又、前記光ファイバ複屈折補償ミラー１における反射点Ｒと、本実施の形態の光ファイバ複屈折補償ミラー１０における反射点Ｒの、ｚ軸方向から見た時のそれぞれの位置は一致せず、光ファイバ複屈折補償ミラー１０における反射点Ｒがｘ軸方向にずれていることが分かる。この理由は光ファイバ複屈折補償ミラー１０では第２の複屈折素子９を加えることで直線偏光８ａをｘ軸方向にシフトさせているためである。
【００８４】
光ファイバ複屈折補償ミラー１０では、レンズ４に２つの直線偏光８ａ、８ｂが入射する前に、２つの直線偏光８ａ、８ｂは２つの複屈折素子３、９によって同一距離だけシフトされている。従って、第１の複屈折素子３の分離の際に発生する２つの直線偏光８ａ、８ｂの光路長差は、２つの直線偏光８ａ、８ｂがレンズ４に入射する前に解消される。
【００８５】
反射された２つの直線偏光８ａ、８ｂは、再度、ファラデー回転子６を透過することにより、２つの直線偏光８ａ、８ｂのそれぞれの偏光方向は同一方向に更に４５度回転される（図７（Ｆ）参照）。従って、ミラー７で反射後にファラデー回転子６を透過した２つの直線偏光８ａ、８ｂの偏光面は、図６（Ｃ）で示したファラデー回転子６に入射前の偏光面に対し、９０度回転されていることが分かる。
【００８６】
ファラデー回転子６から出射された２つの直線偏光８ａ、８ｂは、再度レンズ４を透過し、レンズ４の光軸Ｘ４に関して対称の位置に出射される。更にその光線軸がｚ軸に対し平行となるようにレンズ４から出射される。
【００８７】
次に２つの直線偏光８ａ、８ｂは、再度、第２の複屈折素子９に入射される。前記の通り、ミラー７で反射後にファラデー回転子６を透過した２つの直線偏光８ａ、８ｂの偏光面は、図６（Ｃ）で示したファラデー回転子６に入射前の偏光面に対し９０度回転されているため、直線偏光８ａの偏光方向が結晶軸Ｘ９２方向に対して直交する直線偏光となり、一方の直線偏光８ｂの偏光方向が結晶軸Ｘ９２方向に対して平行な直線偏光となる。従って、直線偏光８ｂが第２の複屈折素子９内部では異常光線となり、図７（Ｆ）、（Ｇ）に示すように水平方向にシフトされる。一方、直線偏光８ａは第２の複屈折素子９内部では常光線となりシフトされず、常光線として直進する。
【００８８】
次に２つの直線偏光８ａ、８ｂは、再度、面３ｂから第１の複屈折素子３に入射される。第２の複屈折素子９で常光線だった直線偏光８ａの偏光面は、結晶軸Ｘ３２方向と平行になる。よって、第２の複屈折素子９を常光線で透過した直線偏光８ａが第１の複屈折素子３では異常光線となるので、直線偏光８ａはｙ軸方向にシフトされる（図７（Ｇ）、（Ｈ）参照）。一方、第２の複屈折素子９を異常光線で透過した直線偏光８ｂの偏光面は結晶軸Ｘ９２に対し垂直となるので、直線偏光８ｂは第１の複屈折素子３を常光線としてシフトすることなく直進して透過する。このようにして２つの直線偏光８ａ、８ｂは図７（Ｈ）に示すように１つの光に再合成される。
【００８９】
再合成された光は、第１の複屈折素子３の一方の面３ａから出射され、光ファイバ２のコア２ｂに入射され、光ファイバ２を伝搬して電流センサ等のセンサ用光ファイバに再伝搬される。
【００９０】
以上、本実施形態の光ファイバ複屈折補償ミラー１０に依れば、光ファイバ２からの出射光を直交した２つの直線偏光８ａ，８ｂに分離し、その直交した２つの直線偏光８ａ，８ｂを点対称に反射させる光路構成である。即ち、２つの直線偏光８ａ，８ｂはミラー７での点対称反射時には偏光方向が直交しているため、干渉が解消され、複数の結合ピーク位置の発生を防止することが出来る。従って最適結合位置が探し易くなり、調芯組立作業が容易となる。
【００９１】
更に、光ファイバ複屈折補償ミラー１０では、２つの直線偏光８ａ，８ｂが２つの複屈折素子３，９によって同一距離だけシフトされる。従って、第１の複屈折素子３の分離の際に発生する２つの直線偏光８ａ，８ｂの光路長差が第２の複屈折素子９で補償され、２つの直線偏光８ａ，８ｂがレンズ４に入射する前に光路長差が解消される。従って、レンズの焦点位置ずれに起因する結合効率の劣化が防止される。更に、光路長差を補償した後にミラー７による反射とファラデー回転子６による９０度の偏光面回転により、常光線と異常光線が入れ替わるように光路が構成されていることで、光ファイバ２から出射された任意の偏光に対し、ポアンカレ球上で真裏に位置する偏光を光ファイバ２に入射させているため、光ファイバ２で発生する複屈折を補償することが可能となる。
【００９２】
又、光ファイバ複屈折補償ミラー１０もファラデー回転子６を使用しているが、そのファラデー回転子６が温度特性，波長特性を有しても、２つの直線偏光８ａ，８ｂの偏光面の直交性が保たれるため、光ファイバ２で発生する複屈折が補償される。
【００９３】
本実施の形態に係る光ファイバ複屈折補償ミラー１０はこのような効果を有するため、この光ファイバ複屈折補償ミラー１０を電流センサ等に光学的に接続することにより、光ファイバ２の複屈折が補償されているため、センサ用の光ファイバ自体が有する光弾性に起因した振動による測定結果の変動が抑制され、耐振動性が向上する。
【００９４】
更に、耐振動性に優れるため、酸化鉛を含有する光ファイバよりも複屈折性が大きい、石英系光ファイバをセンサ用光ファイバに使用することが可能となり、大電流検出が可能な電流センサを形成することが出来る。
【００９５】
図２１に光ファイバ複屈折補償ミラー１０を接続した電流センサから出力される、被測定電流測定値における温度依存性を、比誤差−温度特性で示す。なお、図２１の比誤差とは、光ファイバ複屈折補償ミラー１０を電流センサに接続し、且つ光ファイバ複屈折補償ミラー１０の温度を−２０度から８０度まで変化させた時の、電流センサから出力される被測定電流の測定値における比誤差である。図２１により、光ファイバ複屈折補償ミラー１０を接続することにより電流センサの温度依存性は前記第１の実施形態よりも更に改善されて、温度範囲−２０度から８０度に亘ってほぼ皆無と見なせる程度まで抑えられ、比誤差の変動は殆ど無いことが分かる。従って、電流センサの被測定電流の測定値における変動が抑制されることが分かる。
【００９６】
なお、本発明の光ファイバ複屈折補償ミラー１又は１０は、その技術的思想に基づいて種々変更可能であり、例えば、光ファイバ２に酸化鉛を含有する光ファイバを使用しても良い。
【００９７】
又、結晶軸Ｘ３２及びＸ９２の方向も実施形態に限定されず、任意に設定可能であると共に、レンズ４はファラデー回転子６とミラー７の間に配置することも可能である。
【００９８】
又、光ファイバのファラデー効果を利用した電流センサとしては、図１５のようなセンサ用の光ファイバ１０４を被測定電流が流れる導体１０５の周囲に周回設置した電流センサが好ましいものの、これに限定されない。
【実施例】
【００９９】
次に、本発明の実施例を説明するが、本発明は各実施例１〜３にのみ限定されるものではない。以下に、各実施例１〜３のサンプルとして前記光ファイバ複屈折補償ミラー１及び前記光ファイバ複屈折補償ミラー１０を提示すると共に、比較例のサンプルとして図８（ａ）にファラデーミラー１１を、及び図８（ｂ）にミラー７を提示する。なお、前記光ファイバ複屈折補償ミラー１及び前記光ファイバ複屈折補償ミラー１０と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略もしくは簡略化して記述する。【０１００】
図８（ａ）のファラデーミラー１１は前記光ファイバ複屈折補償ミラー１から複屈折素子３を取り除いた構成の光学ユニットであり、図８（ｂ）は光ファイバ２の光入出射端面２ａと対向してミラー７のみ配置する構成である。【０１０１】
＜実施例１＞
前記の光ファイバ複屈折補償ミラー１、光ファイバ複屈折補償ミラー１０、ファラデーミラー１１及びミラー７の光ファイバ２をシングルモード型の石英系光ファイバに統一すると共に、その光ファイバ２を介して図９に示す光学バイアスモジュール１２を光学的に接続する。更に、光学バイアスモジュール１２に偏光面保存光ファイバ１４を介して偏光依存型光サーキュレータ１３を光学的に接続する。【０１０２】
光学バイアスモジュール１２は、複屈折素子１２ａと、レンズ１２ｂと、マグネット１２ｃと、ファラデー回転子１２ｄとから構成される。複屈折素子１２ａは複屈折素子３と同様、α＝４７．８度を有する一軸性複屈折結晶であり、ルチルが用いられている。ファラデー回転子１２ｄは非相反性の偏光面回転素子であり、マグネット１２ｃからの磁界が印加されることで磁気飽和された時に２２．５度のファラデー回転角を有する、強磁性のビスマス置換型ガーネットで構成される。マグネット１２ｃはＳｍ−Ｃｏ系又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の永久磁石で、外形はリング状に形成され、ファラデー回転子１２ｄの周囲を囲むように配置されている。【０１０３】
更に前記偏光依存型光サーキュレータ１３には、波長１５５０ｎｍ帯のＡＳＥ光源１５が光ファイバ１６を介して光学的に接続される。前記光学バイアスモジュール１２及び偏光依存型光サーキュレータ１３でそれぞれ光を２つの直線偏光に分離させ、一方の直線偏光を光ファイバ１７、１８を介してそれぞれオプティカルパワーメータ（以下、ＯＰＭと表記）１９、２０で検出した。このような光学系の構成において、光ファイバ２を複数巻回して形成した偏光コントローラ２２により光ファイバ２の複屈折を変化させ、ＯＰＭ１９又はＯＰＭ２０により、光学バイアスモジュール１２又は偏光依存型光サーキュレータ１３から検出される直線偏光の変動幅を前記サンプル毎に比較した。得られた変動幅の検出結果を表１に示す。【０１０４】
【表１】
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【０１０５】
表１より、光ファイバ複屈折補償ミラー１と光ファイバ複屈折補償ミラー１０は共に、ファラデーミラー１１及びミラー７よりも変動幅が抑制されており、光ファイバ２の複屈折の影響を抑制していると結論付けられた。更に、光ファイバ複屈折補償ミラー１と光ファイバ複屈折補償ミラー１０を比較すると、光ファイバ複屈折補償ミラー１０では更に変動幅が大幅に抑制されているため、光ファイバ２の複屈折抑制という点で最も好ましいことが裏付けられた。【０１０６】
＜実施例２＞
前記の光ファイバ複屈折補償ミラー１、光ファイバ複屈折補償ミラー１０、ファラデーミラー１１及びミラー７の光ファイバ２をシングルモード型の石英系光ファイバに統一すると共に、その光ファイバ２を介して図１０に示す偏光分離合成器２１を光学的に接続する。なお、図１０において前記実施例１の光学系と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略もしくは簡略化して記述する。【０１０７】
図１０に示す本実施例２と図９の実施例１との相違点は、前記光学バイアスモジュール１２に換えて偏光分離合成器２１を設けた点である。偏光分離合成器２１は、光学バイアスモジュール１２からマグネット１２ｃとファラデー回転子１２ｄを取り除いた構成の光学ユニットである。【０１０８】
このような光学系において、実施例１と同様に光ファイバ２の複屈折を偏光コントローラ２２により変化させ、ＯＰＭ１９又はＯＰＭ２０により、光学バイアスモジュール１２又は偏光依存型光サーキュレータ１３から検出される直線偏光の変動幅を前記サンプル毎に比較した。得られた変動幅の検出結果を表２に示す。【０１０９】
【表２】
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【０１１０】
表２より、光ファイバ複屈折補償ミラー１と光ファイバ複屈折補償ミラー１０は共に、ファラデーミラー１１及びミラー７よりも変動幅が抑制されており、光ファイバ２の複屈折の影響を抑制していると結論付けられた。更に、光ファイバ複屈折補償ミラー１と光ファイバ複屈折補償ミラー１０を比較すると、光ファイバ複屈折補償ミラー１０では更に変動幅が大幅に抑制されているため、光ファイバ２の複屈折抑制という点で最も好ましいことが裏付けられた。【０１１１】
＜実施例３＞
前記の光ファイバ複屈折補償ミラー１、光ファイバ複屈折補償ミラー１０、ファラデーミラー１１及びミラー７の光ファイバ２をシングルモード型の光ファイバに統一すると共に、その光ファイバ２の周囲に電流導線を周回設置して電流センサを形成した。更に、光ファイバ２に外部より振動を加えることで、各電流センサの測定電流波形の変動（グレー部分）を検出した。ミラー７の測定電流波形の変動結果を図１１に、ファラデーミラー１１の測定電流波形の変動結果を図１２に、光ファイバ複屈折補償ミラー１の測定電流波形の変動結果を図１３に、光ファイバ複屈折補償ミラー１０の測定電流波形の変動結果を図１４にそれぞれ示す。【０１１２】
図１１〜図１４より、光ファイバ複屈折補償ミラー１０の波形変動が最も小さく抑えられており、電流センサの耐振動性向上という点から、光ファイバ複屈折補償ミラー１０が最も好ましい構成であることが裏付けられた。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の光ファイバ複屈折補償ミラーは、電流センサ、磁界センサ、量子暗号装置、光スイッチ、光源、アンプ、干渉計、アドドロップ等に用いることが出来る。又、本発明の電流センサは電力系統の電流値の検知に用いることが出来る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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